0 引 言
航天器CMOS面阵相机系统集成包括系统后截距标定和焦面标定两个环节。其中，系统后截距标定是对光学系统最佳焦面位置进行测量与标定，通常采用条纹靶标法、分辨率板法等。焦面标定是将相机镜头光轴与相机视轴测量并调整至重合的关键的环节。传统焦面标定方法是借助经纬仪，将带有星点孔靶标的准直系统与被测相机调共轴[4]。被测相机光轴被引出至镜头安装法兰面，通过成像计算偏离量，调节焦面探测器相对位置后，再通过经纬仪重新调节光路并进行成像。这种方法需要反复调节、测试，逐步迭代实现，过程复杂且用时较长。本文提出一种CMOS面阵相机焦面标定测试方法。该方法操作简便、精度高，适用于批产型航天深空探测空间监视类面阵相机的研制需要，对后续该类相机的研制具有重要的指导意义。
1 测试方法
CMOS面阵相机在焦面装调后。不仅需要明确焦面与光学系统之间沿光轴方向的相对位置，还需在焦面器件安装后进行测试调节，以确保光学系统光轴与相机视轴精准重合。传统标定方法需要频繁使用经纬仪进行反复调整、测试和迭代，这使整个标定过程变得繁琐，不利于批产型面阵相机装调及焦面标定环节的开展。为此，本文提出一种CMOS面阵相机高精度焦面标定方法，能够显著提升该类型相机高精度研制生产线的建设效率。焦面标定测试光路布局如图1 所示。
积分球光源放置于平行光管焦面前方，平行光管焦面放置星点孔靶标。星点孔靶标为中心开有圆孔且单面涂黑的金属靶标板，其边缘尺寸受限于平行光管靶标框结构，单面涂黑的设计旨在降低杂散光的影响，星点孔靶标实物如图2 所示。星点孔尺寸根据相机焦距、平行光管焦距及成像至相机焦面所得像斑尺寸来确定。为确保提取星点像质心位置的精度，星点孔成像至相机焦面时所占像素一般不小于3×3个像元。被测相机置于平行光管出光口前方的一定距离位置，同时被测相机安装在精密转台上，被测相机入瞳位于转台转轴附近。通过调节转台转角，可使星点孔靶标在被测相机所成像位于被测相机焦面中心位置，此时对转台转角清零。通过精密转台，可测得被测相机水平和垂直两个方向视场边缘与焦面中心的夹角。通过将测试光路进行坐标系建立和分析，可获得此时焦面器件相对于光学系统光轴在水平和垂直两个方向的偏离量。
2 基本原理
设定$ f $ 为相机焦距$ OO' $ ，$ {\alpha }_{1} = \mathrm{\angle }{P}_{x1}OP $ ，$ {\beta }_{1} = \mathrm{\angle }PO{P}_{x3} $ ，$ {\gamma }_{1}=\mathrm{\angle }{P}_{x2}OP $ ，$ AB=2a $ ，$ AC=2b $ ，$ {P}_{x2}P=x $ ；$ {\alpha }_{2}= \mathrm{\angle }{P}_{y3}OP $ ，$ {\beta }_{2}=\mathrm{\angle }PO{P}_{y1} $ ，$ {\gamma }_{2}=\mathrm{\angle }{P}_{y2}OP $ ，$ {P}_{y2}P=y $ ，由上述变量定义可得：
由图3 ，可得如下方程组：
对式（2）进行变换，可得：
另外，依据正弦定理，可得：
对式（4）中的$ \mathrm{sin}\angle P{P}_{x3}O $ 和$ \mathrm{sin}\angle P{P}_{y1}O $ 进行变换，可得：
首先，结合像点质心算法[6-10]，通过调节图1 中准直系统的方位角和俯仰角，将准直系统星点靶标成像于被测相机焦面探测器中心位置。此时，将精密转台清零作为初始位置。通过旋转精密转台，可获得上述各参量中$ {\alpha }_{1} $ 、$ {\beta }_{1} $ 、$ {\alpha }_{2} $ 、$ {\beta }_{2} $ 四个角度。焦距$ f $ 可通过相机整机焦距测量获得，$ a $ 、$ b $ 为被测相机探测器二维线量已知尺寸，$ x $ 、$ y $ 为相机被测状态焦面探测器偏离目标位置的二维线量，$ {\gamma }_{1} $ 、$ {\gamma }_{2} $ 为相机被测状态焦面探测器偏离目标位置的二维角量。$ x $ 、$ y $ 、$ {\gamma }_{1} $ 、$ {\gamma }_{2} $ 为未知量，通过式（3）和式（5）可进行求解[11]。依据求解获取的$ x $ 、$ y $ 值，对被测相机焦面探测器进行调节，然后进行复测迭代，直至调至目标位置。
在测试过程中，可以依据当前测试状态的$ {\alpha }_{1} $ 、$ {\beta }_{1} $ ($ {\alpha }_{2} $ 、$ {\beta }_{2} $ )的大小关系，预判$ x $ ($ y $ )的正负。同时，需要对被测相机焦面探测器极性[12]进行判断，最终确认焦面探测器的二维调节量和调节方向。
3 系统集成实例
根据上述理论，给出一个具体系统集成实例：某相机焦距8.30 mm，视场角$ 2\omega = $ 45°，探测器为1024 ×1024 像素，像元尺寸为6.7 μm×6.7 μm。被测相机外形结构如图4 所示，其中用于定位后截距的垫片已安装在相机镜头和电路盒之间，并已完成加工及安装。当前焦面所在位置已为最佳焦平面位置[13]，且整机焦距实测值为8.28 mm。
按图1 所示搭设测试光路，根据第2节所述方法进行测试，各参数值设置如下：
由于$ {\alpha }_{1} $ >$ {\beta }_{1} $ 、$ {\alpha }_{2} $ >$ {\beta }_{2} $ ，因此CMOS探测器中心在光轴中心位置的右上方，$ x $ 、$ y $ 均为正。利用式（3）和式（5）中各一个方程所组成的方程组，编写数据处理程序，对本次测量结果进行求解，获得8组解如下：
因此，$ x $ ≈0.305 mm，$ y $ ≈0.043 mm。
利用传统方法，将标准平面反射镜贴至相机光轴基准引出面，使用经纬仪互瞄将平行光管与被测相机调至共轴状态，然后采集相机图像并计算质心，得到$ x $ ≈0.307 mm，$ y $ ≈0.048 mm。与传统测试方法相比较，$ x $ 和$ y $ 的测量结果均小于1个像元。
根据$ x $ ≈0.305 mm，$ y $ ≈0.043 mm的计算结果，结合相机极性判断结果对相机焦面器件进行调节，调节后进行复测并重复上述计算步骤，直至像面中心位置偏差满足相机要求。
4 验证结果
为验证焦面标定的成像效果，选用具有良好面均匀性和稳定性的积分球光源作为辐射源，进行焦面标定前后的效果验证。测试布局如图5 所示。在焦面标定测试前后，分别将被测CMOS面阵相机正对积分球光源出口中心位置，待光源稳定后采集成像图像。成像效果如图6 所示。
由图6 可以看出，通过本方法进行焦面标定后，积分球出口光圈已调整至图像中心位置，积分球出口边缘均实现上下左右对称分布。
5 结 语
本文提出了一种高精度CMOS面阵相机焦面标定测试方法，避免了传统焦面标定过程中使用经纬仪调节光路进行偏离量测试的繁琐步骤，具有简单、高效、易操作的特点。与传统偏离量测试方法相比，该方法的测试误差优于1个像元，尤其适用于焦面器件小于光学系统几何视场的CMOS面阵相机焦面标定测试。此外，该方法的焦面标定总用时较传统标定方法缩短了40%，能够满足批产型航天深空探测空间监视类面阵相机高密度研制需要，具有极高的工程应用价值。